邢小穎，湯 彬，馬 運(yùn)，姚啟明，王龍兵

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

鑄造工藝通?？煞譃樯靶丸T造和特種鑄造。通常砂型鑄造包括濕砂型、干砂型、化學(xué)硬砂型鑄造三類。特種鑄造材料可分為兩大類：一種以自然礦質(zhì)砂巖為主體的造型材料，如熔模鑄造、殼型鑄造、負(fù)壓鑄造等；一種以金屬材質(zhì)為主體鑄型材料，如金屬型鑄造、離心鑄造、低壓鑄造等。

圖1 為支承臺零部件的結(jié)構(gòu)圖,該件材料為HT200,在應(yīng)用中承載力較小,是一般的承載力部件。支承臺產(chǎn)品特性為小批量生產(chǎn)，零部件的主要技術(shù)條件應(yīng)滿足σb＞200MPa，210＞HB＞170,精度要求:鑄件表面不能有砂眼、縮孔、縮松等缺點(diǎn),鑄件表面平滑,外觀輪廓清晰。

圖1 支承臺零件圖

1 工藝分析

該零部件的一般壁厚為13mm,整體鑄件的壁厚比較平整,外輪廓尺寸約為:￠120mm×115mm。法蘭和支承臺之間的銜接處較容易產(chǎn)生熱節(jié),但因?yàn)樵摷馁|(zhì)為HT200,收縮力較小并且加之灰鐵鑄件中的石墨化膨脹,產(chǎn)生縮松和縮孔的可能性也較低,故不需要再對冒口加以補(bǔ)縮,經(jīng)鑄造后再用機(jī)器加工生產(chǎn),由于零部件的整體鑄造工藝性較強(qiáng),且制造批量為小批量投產(chǎn),所以毛坯產(chǎn)品的主要制造方式采用了砂型鑄造。

2 工藝方案確定

因?yàn)橹С信_制造批次主要為小量產(chǎn),且零部件構(gòu)造并不復(fù)雜,所以根據(jù)加工工廠材料的供應(yīng)現(xiàn)狀,并兼顧工藝上科學(xué)性,所以決定其毛坯制造方式為一般砂型鑄造,而砂型種類主要為濕型。凝固方式:由于鑄造材料主要采用HT200,收縮較小,為便于造型并得到良好鑄造效果,采用同時凝固。澆注方式:為提高鑄造效率,將鑄件造型、澆注方式進(jìn)行水平放置。根據(jù)零部件的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用情況可以看出:由于對材料質(zhì)量要求一般,對設(shè)計尺寸精度要求較高,所以,可使支承臺呈水平,并且鑒于材質(zhì)為HT200,自重較輕,壁厚變化也不大,從改善技術(shù)、便于使用、增加工藝效率綜合考慮,不再設(shè)置冒口。根據(jù)綜合考慮得出結(jié)論定,本件的澆注情況如圖2 所示。冷卻情況與澆注情況相同。

圖2 澆注位置

2.1 分型面的選擇

經(jīng)過分析此件可有三種分型面方案。

（1）方案I:如圖3 所述可將鑄件對稱的布置于兩鑄形內(nèi),模樣、芯盒易于制造,造型、下芯較簡單,但由于鑄造時容易錯型,且外觀品質(zhì)較差,因此清理工程量很大。（2）方案II:如圖4 所述鑄件在同一鑄形內(nèi),能夠提高其尺寸精確度,且下芯后易于檢測壁厚是否一致,并且砂型較穩(wěn)定,但由于形狀較復(fù)雜,且澆注不均勻,容易形成沖砂,并且由于上箱小,下箱大,且起模行程較大，因此需要兩個砂芯,且模型、芯盒的制造過程較繁瑣,因此不適合于大批量生產(chǎn)。（3）方案III:如圖5 所示鑄件大都在同一個鑄形內(nèi),可以提高其尺寸精確度,下芯也易于檢查，同樣滿足合箱,并采用側(cè)澆注方式,切向引入改變了澆注時的充型不均勻的情況,既降低了沖擊,也避免了沖砂缺口的形成,上、下箱差別也很大,整體形狀比較簡潔。缺陷是有兩個砂芯,下箱較高,動手操作比較難,勞動工作量大,模樣、芯盒的加工也比較繁瑣?？刹捎檬止ぴ煨椭械娜湓煨?。通過對比,發(fā)現(xiàn)方案二需用兩個砂芯過程繁瑣不適用于大批量生產(chǎn)，方案三需用到三箱造型，而在造型過程中三箱操作難度大工藝復(fù)雜，一般情況能用兩箱造型盡量不選擇三箱造型，所以綜上所述，方案一較為合適，對于容易錯型的問題可以做泥記號或者定位孔定位銷的方式解決。

圖3 方案I

圖4 方案II

圖5 方案III

2.2 砂芯數(shù)量的確定

因?yàn)榇四Ｐ偷纳靶敬_定為水平放置，所以使用一個水平芯頭即可滿足要求，如圖6 所示。

圖6 砂芯數(shù)量圖

2.3 主要工藝參數(shù)的確定

按照實(shí)際的加工狀況,確定該件的收縮率為百分之一。但由于鑄造的精度條件較一般,所以又采用了手工造型木質(zhì)模具,并判斷該件的加工精度為十三級,查到的誤差為±6mm,質(zhì)量誤差為百分之十。按十三級的鑄件并考慮實(shí)際狀況,確定加工余量為4mm。根據(jù)零件圖尺寸要求選用增厚法。鑄造為小批量，規(guī)定的拔模斜度為1°。每次鑄造用一個砂芯,使用木質(zhì)芯盒、機(jī)械制芯。砂芯由砂芯主體與芯頭所構(gòu)成,砂芯造型比較簡潔,為?20mm×135mm 的圓柱，砂芯用樹脂砂，鑄件的放置位置可確定為水平芯頭。

2.4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計與計算

澆注系統(tǒng)主要由澆口杯、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道等四部分構(gòu)成。澆注系統(tǒng)的橫截面尺寸大小對鑄造品質(zhì)影響較大,若橫截面太小,或澆注時間過長,則會出現(xiàn)澆注溫度不足、冷隔、形成砂眼等問題;橫截面太大,澆注速率太大,也許會收起沖砂,并帶入氣體,從而使鑄造中形成渣口的缺點(diǎn)。要保證金屬液以適當(dāng)?shù)乃俾食涮铊T型中,就需要確定澆注系統(tǒng)的面積。因?yàn)橹饕T造材料是HT200,對鑄造質(zhì)量要求很高,因而澆注系統(tǒng)一般要有較大的撇渣和緩沖力,而且由于鑄造尺寸小、質(zhì)量較輕,所以為了避免在澆注中沖砂,一般采用人工澆注。

選用人工澆注鑄件,澆注系統(tǒng)要有較好的撇渣力,需要用全封閉或半封閉方式,本設(shè)計澆注系統(tǒng)采用了全封閉的,并采用側(cè)注式澆注系統(tǒng)。由于每型只有一種鑄件,故澆注系統(tǒng)中需要同時設(shè)計澆口杯、橫澆道、直澆道和內(nèi)澆道,因法蘭較厚,為了對法蘭進(jìn)行補(bǔ)縮,故選用較高階梯式的內(nèi)澆道。但由于該件屬造型較單一的小鑄件,所以選用經(jīng)驗(yàn)法,并以此算出澆注的時間、內(nèi)澆道橫截面、澆注系統(tǒng)之間的斷面長度等,并校核最小壓力頭。

2.4.1 澆口杯設(shè)計

澆口杯是專門用于承接來自澆包的各種金屬液體的,由于鑄件為經(jīng)典的手輪型鑄件,為了確保有適當(dāng)?shù)男侯^、便于澆注與使用,又由于該件的較小壓頭足夠,故而一般不單獨(dú)設(shè)置澆口杯,在手工造型流程中直接在上砂型的直澆道上端,倒出簡易的普通漏斗形澆口杯,其斷面形式如圖7a 所示。

2.4.2 澆注時間

式中，C 為系數(shù)，取決于鑄件的主要壁厚，例如：鑄件壁厚3～5mm 時，C=1.63,壁厚9～15mm 時，C=2.2，經(jīng)確定[3]C=2.2；G 為澆入砂型的鐵水的總重量（kg）。

2.4.3 內(nèi)澆道截面積的計算

式中，G=9.24kg，x 是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（經(jīng)查為1.5），再代入上式：則≈4.6（cm2），每一內(nèi)澆道的截面積A內(nèi)=2.3cm2。截面形狀是高階梯式，通過面積確定尺寸如圖7b 所示。

2.4.4 各組元面積的確定

由于其澆注系統(tǒng)是全封閉的，所以需再決定其直澆道、橫澆道的外形與大小,直澆道的橫向斷面通常為長圓狀,結(jié)構(gòu)為斜度3°的圓錐,而H0型即內(nèi)澆道靜壓頭尺寸則為150mm。比例關(guān)系為∑F直:∑F橫向:∑F內(nèi)=1.15:1.1:1，亦即∑F橫向=4.6×1.1=5.06（cm2），斷面形式為正方梯形,由體積決定直徑大小如圖7c 所示，∑F直=4.6×1.15=5.9（cm2），由體積決定直徑大小為27mm,如圖7d 所示。

圖7 澆口杯、內(nèi)澆道、橫澆道及直澆道的斷面形式

2.4.5 最小壓力頭的校核

為了保證能充滿最遠(yuǎn)最高的部分,以及保證輪廓清晰完整,上表面無收縮,鑄件最高點(diǎn)到澆口杯內(nèi)液面的高度必須有一最小值,即最小殘余壓頭Hm值,這也就規(guī)定了直澆道應(yīng)該有必要的高度。根據(jù)設(shè)計圖,可以得出最小殘余壓力值，其中L=115mm,Hm=150-100=50（mm），校核公式α=Hm/L=50/115=0.435,查得α=23°30′。式中:α 是最小殘余壓力頭的最大壓力角，L 是直澆道至鑄件中最高最遠(yuǎn)的一段距離，Hm為最小殘余壓頭。查得α=10°，故壓頭足夠。

3 鑄造虛擬仿真以及實(shí)際鑄造

傳統(tǒng)的鑄造產(chǎn)品和加工工藝制造流程中,主要是依靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的累積和不斷重復(fù)的試錯,直至最后做出了合格產(chǎn)品。這些依靠經(jīng)驗(yàn)和重復(fù)試錯的方法,致使制造周期長、生產(chǎn)成本高昂,甚至很難提高鑄件質(zhì)量。鑄造虛擬仿真軟件是數(shù)字化制造的有機(jī)組成部分之一。其目的在于讓學(xué)生全方位了解鑄造流動性、應(yīng)力、傳熱、凝固、缺陷分析以及優(yōu)化的全過程。經(jīng)過MAGMA 鑄造虛擬仿真模擬軟件進(jìn)行鑄造模擬，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，分析熱節(jié)幾乎沒有問題，然后進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，所做實(shí)際鑄件和前期工藝設(shè)計以及鑄造虛擬仿真數(shù)據(jù)結(jié)果一致。

4 結(jié)語

本文主要以支承臺零件進(jìn)行鑄造的毛坯工藝方案研究設(shè)計,從工藝流程分析、工藝方案制定、鑄造虛擬仿真和實(shí)際鑄造過程三個方面展開研究設(shè)計,對鑄造方式、凝固原則以及澆注位置、分型面、澆注系統(tǒng)等方面給出參數(shù),并在前期鑄造前根據(jù)工程設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了虛擬仿真建模,獲得了最終鑄件,鑄造過程與仿真結(jié)果高度貼合,縮短了鑄造工藝和工裝模具的設(shè)計制造時間,從而降低了鑄造缺陷的產(chǎn)生,進(jìn)而提高了鑄件質(zhì)量。

圖8 虛擬仿真及鑄造鑄件